R-GAS加壓氣流床氣化中試實驗研究及放大模擬

姚根有, 潘登峰, 袁秋華, 鄧 靖

(陽泉煤業(集團)有限責任公司化工研究院，山西 太原 030006)

在我國煤炭儲量中，高灰、高硫、高灰熔點(“三高”)的劣質煤所占比例較高，“三高”劣質煤由于煤質原因，開發和利用受限[1-2]。尋求先進高效的煤利用技術，實現“三高”劣質煤清潔高效轉化既可以提高我國煤炭資源的利用效率，又可以提升企業的經濟效益。煤氣化是實現煤的清潔、高效利用的主要途徑之一，主要有固定床[3-4]、流化床[5-6]和氣流床[7-8]三種氣化方式。其中，氣流床氣化具有煤種適應性強、碳轉化率高、氣化效率高等優點，是實現“三高”劣質煤氣化的首選方式。但“三高”煤由于煤質特點，成漿性差、制漿成本高，不適用于水煤漿進料氣化技術，只能采用干煤粉進料氣化技術。“三高”煤灰熔點高于1 500 ℃，為實現氣化爐順利排渣，氣化爐操作溫度需高于煤灰灰熔點約50 ℃～100 ℃[9]，而目前氣流床氣化溫度約為1 500 ℃，無法滿足“三高”煤的直接氣化需求。

美國氣體技術研究院(Gas Tecchnology Institute，簡稱GTI)和陽煤集團聯合開發的R-GAS煤氣化技術，氣化中心溫度可達2 500 ℃以上，氣化溫度最高可達1 800 ℃，可完全直接氣化我國的“三高”劣質煤[10-11]。氣化爐使用GTI專有的設計方法，實現緊湊、長壽命、高效的特點，提高了氣化爐的性能和可用性，同時降低了企業成本。

1 R-GAS工藝流程

R-GAS粉煤加壓氣流床氣化中試裝置工藝流程如圖1所示。裝置進煤量約為500 kg/h，氣化爐操作壓力為4.0 MPa。R-GAS氣化爐采用特殊的分流器對煤粉和氧氣進行均勻分配，保證氣化爐內的流場為平推流，有效提高氣化爐的氣化效率。氣化爐采用與Shell、GSP等氣化爐一樣的水冷壁結構。氣化燒嘴借鑒火箭發動機上快速混合噴嘴，火焰溫度高，可在極短時間內將煤完全氣化，碳轉化率達99%以上。

圖1 R-GAS氣化中試裝置流程示意圖

經破碎干燥的煤粉儲存在常壓煤倉內，通過干式固體泵或鎖斗系統加壓后通過氣化燒嘴進入氣化爐。氣化劑氧氣和水蒸氣也通過氣化燒嘴進入氣化爐，與煤粉反應進行氣化。高溫合成氣經激冷后夾帶著粗渣、細粉進入氣化爐氣化室下部，大顆粒爐渣落入下部的水浴，含有細粉的粗合成氣經陶瓷過濾器、文丘里洗滌器和洗滌塔除塵、凈化后送入火炬進行燃燒。粗渣在水浴中冷卻后，經過碎渣機進入到灰渣收集槽，然后經過灰渣鎖斗排入沉渣池。

試驗用煤為新景煤，煤的工業分析和元素分析如表1所示，煤粒徑分布如圖2所示，平均粒徑為0.08 mm，新景煤灰成分分析如表2所示，根據B-T公式計算，灰熔點約為1 518 ℃。

表1 煤的工業分析和元素分析

圖2 新景煤粒度分布

表2 新景煤灰成分分析(w) %

2 結果與討論

2.1 試驗結果與分析

圖3為進煤量、氧氣量和水蒸氣量分別為483 kg/h、445 kg/h和91 kg/h條件下的氣體組成。由圖3可以看出，在試驗過程中，氣體組成基本達到平衡。氣化后水冷壁及氣化爐排出灰渣如圖4所示，由圖4可知，水冷壁可以實現均勻掛渣，氣化爐可以實現穩定運行。

圖3 氣體組成

表3和表4所示為氧煤比對氣化過程碳轉化率和氣體組成的影響。由表3可以看出，當水煤比保持不變時，碳轉化率隨氧煤比增加逐漸增加。氧煤比的增加，有利于燃燒反應進行，氣化溫度升高，碳轉化率相應提高。氣化過程中，CO和H2是合成氣中的主要成分，這兩種氣體在合成氣中的含量是評價氣化爐性能的重要指標之一。由表4可知，有效氣體(CO+H2)含量可以達到75.90%～80.00%，隨氧煤比由0.92 kg/kg增加至0.98 kg/kg，CO含量由52.80%增加至53.20%，而當氧煤比繼續增加時，CO含量降低。當氧煤比低于0.98 kg/kg時，隨氧煤比增加，有利于燃燒反應和氣化反應進行，CO含量增加，當氧煤比繼續增加時，煤氣中部分CO會與O2反應生成CO2，導致CO含量降低。CO2含量隨氧煤比增加逐漸升高，而H2含量則逐漸降低，這是由于，氧煤比增加，有利于燃燒反應，反應生成CO2量增加，并且，氧煤比增加還會造成部分H2發生燃燒反應，導致H2含量降低。氣化過程中，合成氣中CO2含量較高，約為20.00%～24.10%。由于中試裝置熱損失較大，為保證氣化爐溫度滿足試驗要求，需要額外增加氧氣來補充熱損失，因此導致合成氣中CO2含量較高。

圖4 氣化爐水冷壁掛渣示意圖

coal/kg·h-1O2/coal(kg/kg)H2O/coal(kg/kg)carbon conversion/%carbon balance/%14830.920.1983.83107.0024850.980.1989.66106.2034621.100.1995.44102.40

表4 氧煤比對合成氣氣體組成影響

2.2 工業示范裝置模擬

基于中試試驗結果，利用氣化爐一維(1-D)動力學模型對800 t/d和3 000 t/d的氣化爐進行模擬預測。氣化爐一維(1-D)動力學模型根據與煤氣化和熱傳遞直接相關的參數進行設計，用于預測氣化爐的性能。該模型假設整個氣化爐反應器中軸向完全混合，且每個瞬時步驟達到氣相平衡，通過碳與氧、二氧化碳和水的非均相反應，獲得反應物濃度、溫度與反應速率的相關性。通過實驗經驗性地確定混合參數，混合參數用于闡述噴嘴區域中煤/氣體的不完全混合情況。1-D模型內的熱傳遞模型用于預測顆粒輻射和對流熱傳遞過程。假定每個軸向步驟中所有氣體物質處于平衡，使用JANNAF數據庫的單個物質的熱力學性質來建立化學平衡。通過中試裝置試驗數據確定反應動力學和熱傳遞參數，然后進行預測，按比例放大得到與中試裝置同樣操作范圍的示范裝置。表5和表6為通過氣化爐一維(1-D)動力學模型計算得到的結果。由表5可知，在處理量為800 t/d和3 000 t/d條件下，冷煤氣效率分別可以達到79.50%和80.50%。由表6中的氣體組成可以看出，與中試結果相比，工業示范裝置得到的合成氣中有效氣體(CO+H2)含量明顯增加，分別可以達到87.48%和87.97%。

表5 工業示范裝置預測結果

表6 工業示范裝置氣體組成(預測值) %

3 結論

R-GAS氣化爐適合于高灰分、高灰熔點煤的氣化，氣化爐可以實現穩定運行。氣化過程中，有效氣體(CO+H2)含量可以達到72.90%～80.00%。氣化過程中，由于氣化爐熱損失較大，需要額外增加氧氣來補充熱損失，因此導致合成氣中CO2含量較高。利用氣化爐一維(1-D)動力學模型對800 t/d和3 000 t/d的氣化爐進行模擬預測，冷煤氣效率分別可以達到79.50%和80.50%。與中試結果相比，工業示范裝置得到的合成氣中有效氣體(CO+H2)含量明顯增加，分別為87.48%和87.97%。